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1、游运动生物力学游永豪 合肥师范学院 体育科学系 Tel:13695693116 E-mail：游游m G J r R t v a s M F p L I W P E h 第二章第二章 人体生物力学参数人体生物力学参数人体惯性参数质量、重量、质心、重心、转动惯量、回转半径 运动学参数时间、时刻、频率、路程、位移、角位移、速度 、速率、加速度、角加速度动力学参数力、力矩、动量、动量矩、冲量、机械能、功、 功率运动生物力学参数特征 游游第一节 人体惯性参数一、人体惯性参数（一）人体惯性参数特征量1. 质量(m)衡量物体平动惯性大小，是恒量、是标量。绝对质量人体各环节的质量叫做各环节的绝对质量。 相对
2、质量=绝对质量/人体质量。牛顿第一定律：物体不受外力或所受合外力为0时，将保持原来的静止状态或匀速直线运动状态不变。物体质量越大保持原有运动状态的能力也越大。游l体育运动中，如何合理利用惯性、提高人体运动效率、减小体能消耗具有重要意义。女子20公里竞走刘虹长跑、竞走均速？变速？ 举杠铃停顿？ 篮球中锋身体质量大？小？德国马蒂亚斯 施泰纳 140公斤游2. 重量(G)l 环节绝对重量：人体环节的重量称为环节绝对重量; l 环节相对重量：环节绝对重量与人体总重量之比叫做环节相对重量，又称重量系数，后者消去了人的体重对指标的影响。重量与质量的关系：G=m*g(重力加速度）美国 鲍勃比蒙 1968年在
3、墨西 哥奥运会以 8. 90米成绩打破 8.35米的世界纪录。提高55厘 米。美国韦格纳教授：同样风速(+2 0米秒)情况下，890米的 成绩在海平面高度地区相当于跳 863米，高原的有利条件使他 的成绩增加了27厘米。身体素质、技术天时顺风2米地利高原海拔2248米奥运会后，比蒙退出田坛，而 8.90米的世界纪录，直到1991 年，也就是23年后，才被美国 人迈克.鲍威尔在东京田径世锦 赛中，以8.95米的成绩打破。游3人体质心（重心）人体总质心：人体整体质量分布的加权平均位置。人体重心：人体各环节所受地球引力的合力作用点。质心是质量重心，重心是物体各部分所受重力的合力作用点。物理意义不同，
4、计算结果一致。 游4环节质心（重心）位置纵长环节的质心（重心）大致位于纵轴上，靠近近侧端关节。 RrRr环节质心（重心）半径系数:即近侧端关节中心至环节质心（重心）的距离与环节长度的比值。半径系数=r/R游5. 转动惯量(J)衡量物体（人体）转动惯性大小的物理量。设物体（人体）转动部分由n个微小质量mi构成，微小质量距转轴的距离分别为ri。则转动惯量的定义式为：质量与转动惯量质量是衡量平动惯性大小的物理量转动惯量是衡量转动惯性大小的物理量。质量越小，平动越容易；转动惯量越小，转动越容易。VS游人体转动过程中，质量较恒定。因此J由质量分布和转轴位置决定。转动惯量的影响因素质 量质 量 分 布转
5、轴 位 置游人体的质量分布与人体身高、运动时姿势有关。高低杠冠军何可欣身高：1.42m2.26m身 高游姿 势m1 = m2游空翻类运动项目的运动员身高普遍较矮。如：体操、跳水。J越小，越容易转动。空翻类动作难度的判定与运动员的动作姿势有关，直体难于屈体；屈体难于团身。游转动轴对J的影响转动轴的位置不同，转动半径R不同，J也不同。转动位置越远离转轴，J越大。 J1J2张文秀单杠大回环和腹回环哪个 更容易？游6. 回转半径（转动半径R）假设绕某转动轴转动的物体全部集中在离轴某一距离的一点上，用这一点来代表整个物体的质量，这时它的转动惯量如果恰好与原物体相对此轴的转动惯量相等，则称这个距离为回转半
6、径（R），也叫转动半径，用公式表示为：游标准化的原因由于测量方法及样本的不同，不同学者所报道的惯性参数之间差异较大。采用不同的参数，对研究结果会产生一定的影响。在研究过程中几乎不可能做到也没有必要对每个研究对象进行活体惯性参数的测量。（二）人体惯性参数的标准化有必要对不同人群或国别的 人体惯性参数有一个相对准 确而又适应性较好的标准值 。人体惯性参数的标准化环节划分标准化人体环节的划分和人体关节点的判定是人体惯性参数测量中的基础性环节，也是决定不同参数系统之间是否具有可比性的依据。人体环节在人体运动过程中相互间位置不断的调整和改变，会直接影响环节质心和人体质心的位置，因此确定环节的划分方法十分
7、重要。游l环节划分方法有两种：一种是以人体的结构功能为依据，分割环节的切面通过关节转动 中心，并以关节中心间的连线作为环节的长度；末端环节，则是 关节中心与环节质心之间的连线。另一种是以人体体表骨性标志点作为划分环节的参考标志，并以 此确定环节长度。l第一种符合运动规律，但在人体测量时不易准确确定划分点；l而后一种划分方法尽管易于测量，但不如前者能更好地满足运动生物力学研 究的基本要求。 在影像解析中，需要根据受试者性别、种族等实际情况来选择不同的人体惯 性参数。游环节环节德国日本美国前苏联苏联中国头头无详细详细交待头顶头顶-平齐齐耳屏位头顶头顶点-颈颏颈颏 交接点头顶头顶-平齐齐第七 颈颈椎
8、棘突处处头顶头顶点-颈颈椎点颈颈无平齐齐耳屏位-胸骨 上缘缘无无躯干上肩关节连线节连线 中点-髋髋 关节连线节连线 中点胸骨上缘缘-髋髋关节节 连线连线中点颈颏颈颏-耻骨下 缘缘第七颈颈椎棘突- 胸骨下点颈颈椎点-胸剑联剑联 合点 中胸骨下点-脐脐点胸下点-髂髂棘上 点下 脐脐点-髂髂前点髂髂棘上点-会阴上臂肩关节节中心-肘关节节中 心肩关节节中心-肘关 节节中心肩关节节中心- 肘关节节中 心肩峰点-肱桡桡点肩峰与腋前-桡桡 骨头头前臂肘关节节中心-髋髋关节节 中心肘关节节中心-髋髋关 节节中心肘关节节中心- 髋髋关节节中 心肱桡桡点-茎突点桡桡骨头头-桡桡骨茎 突手无详细详细交待腕关节节中心
9、-掌指 关节节中心腕关节节中心- 第一指骨 间间关节节中 心茎突点-指点桡桡骨茎突-中指 尖大腿髋髋关节节中心-膝关节节 中心髋髋关节节中心-膝关 节节中心髋髋关节节中心- 膝关节节中 心髂髂前点-胫胫骨上 点髂髂前上棘-胫胫骨 上点小腿膝关节节中心-踝关节节中 心膝关节节中心-踝关 节节中心膝关节节中心- 踝关节节中 心胫胫骨上点-胫胫骨 下点胫胫骨下点-内踝 尖足跟结节结节-足尖踝关节节-足跟跟后缘缘-趾尖 点胫胫骨下点-指点内踝尖-足底人体结构功能体表骨性标志游三、人体惯性参数的特性1. 人体重心位置影响因素有6个：（1）性别：女子重心的相对高度比男子低0.5%-2%。（2）年龄：随着年
10、龄的增长绝对重心、相对重心高度均会变化。婴儿相对重心比成人高10%15%。（3）运动专项：运动专项使局部环节质量及分布的变化。滑冰、足球和短跑等下肢肌肉肥厚运动员的相对重心位置较低，而体操、游泳、赛艇等上肢肌肉肥厚运动员的相对重心位置较高。游（4）体型：人体肌肉和骨骼的发 达程度以及脂肪积蓄程度，都 影响人体整体的质量分布。（5）姿势：当环节向某方向运动 时，身体重心随之向该方向移动 ，在某些情况下，特别是当前屈 或后仰时，身体总重心甚至移出 体外。人体重心对于动作评价非 常关键。（6）生理与心理：由于人体在 变换姿势或心理紧张时，内脏 器官及其肌肉质量的位移、血 液的重新分布等原因，使得人
11、体总重心的位置不会固定不变 。但是，这种变化是很小的， 一般不会超过身高的1%。 饭后不宜运动？游可变性人体转动惯量会随着各环节的质量及其在空间分布情况和转轴位置的变化而变化。（可变性）利用人体转动惯量的可变性，可以通过变换转动轴或通过改变姿势来改变转动惯量，以完成各种动作。例如：跳水、滑冰。瞬时性对人体某一姿势转动惯量的计算和测量，只能说明某一瞬间的情况。2.人体转动惯量游三、人体惯性参数模型（一）人体惯性参数测量方法三种：尸体测量法，活体测量法，数学模型计算法1.尸体测量法：对尸体先肢解，然后进行环节参数测定。需考虑尸体与活体的差异性。测量方法采用称重和悬挂法。样本数量少，加之切割技术的复
12、杂、方法不统一，因而所得到的结果在推广时必然会受到限制。 小实验游2活体研究活体研究的传统方法有：水浸法、称重法、放射性同位素法、CT 法、MRI（核磁共振）法等许多新的研究方法。 (1)水浸法原理：阿基米德原理优点是：简单易行，费用少。缺点是：误差较大，精度不够。尸体测量法局限性： 样本小，不能完全代表人体结构巨大的个体差异； 死组织与活组织之间的差异。游(2)称重法（平衡板法）原理：力矩平衡方程简便易行和直接测量人体整体和环节重量参数的优点。(3)放射性同位素法（又称射线扫描法）原理：单能极射线窄束通过人体环节后强度衰减。 将躯干分为三段，可大样本测量，所得结果已为运动生物力学工作者广泛应
13、用。 平衡板重心测量李世明、金季春：一、二维平衡板不同人体 环节重量矩测量方法的对比研究游(4)CT 法（计算机 X 射线断层照相术，computerized tomography, CT）郑秀瑗等利用计算机 X 射线断层照相术，计算面积 ；水浸法测出体积，用天平称重最后计算出每一种组织与器官的平均密度；尸体解剖法确定人体各环节划分的分界点。通过计算得到各环节质量、相对质量、质心相对位置等惯性参数。该方法首次得到大样本的中国成年人的环节惯性参数。(5)核磁共振成像法（magnetic resonance imaging, MRI）利用原子核中电子运动的磁场现象，透过电脑重组而将磁场情形转换成密
14、度不同的影像，将人体组织结构展现出来。比CT更精细。 游3. 数学模型计算法用几何图形来模拟人体环节，如：将头部模拟成正椭圆球，将躯干模拟成正椭圆柱，将四肢模拟成平截正圆锥体等。游（二）人体惯性参数模型1. 布拉温菲舍尔模型1889年德国学者布拉温和菲舍尔的研究成果。2. 松井秀治模型日本松井秀治于1958年的研究成果（分男女）。3. 昌特勒模型这是由美国宇宙医学研究实验室和美国空军等单位共同完成的。美国国家技术情报服务处于1975年公布。游4. 扎齐奥尔斯基模型前苏联B.M.扎齐奥尔斯基和B.H.谢鲁杨诺夫，于1978年用放射性同位素扫描的方法，对100名青年学生进行测试得到。5. 中国人参
15、数模型郑秀瑗等人采用CT法首次获得了中国正常人体的惯性参数，填补了空白。把环节划分为9个部分附录二游环节环节分界点质心测量起点近侧点远侧点头颈头顶点颈椎点头顶点上躯干颈椎点胸下点颈椎点下躯干胸下点会阴点胸下点上臂肩峰点桡骨点桡骨点前臂桡骨点桡骨茎突点桡骨茎突点手桡骨茎突点中指指尖点中指指尖点大腿髂前上棘点胫骨点胫骨点小腿胫骨点内踝点内踝点足内踝点足底足底注：左右对称部分，如上臂、前臂、手、大腿、小腿、足各部位，其环节分界点的名称相同。游人体环节划分与环节分界点图游小结游思考题1.影响人体转动惯量的因素有哪些？举例说明这些因素在体育动作中的作用。2.人体重心可通过哪些方法测量？简述各种测量中应注意的事项。游
